Xây Dựng Á Đặ Tính Mô Hình Suy Hao Và Hiệu Ứng Doppler Ho Kênh__Truyền Dẫn Thủy Âm..pdf

Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

MC LC
L ......................................................................................................3
DANH MC T VIT TT....................................................................................4
DANH MC B NG BIU .......................................................................................5
DANH MC HÌNH V ............................................................................................6
LU ...........................................................................................................8
 TH NG THÔNG TIN TH Y ÂM .........10
1.1
1.2

a h thng thông tin thy âm .......................................................10
 ng ti kênh thơng tin thy âm ..............................11

1.3 Sóng âm th y âm .........................................................................................12
1.3.1. Phân loi sóng âm ..................................................................................13
1.3.2. Vn tc c y âm ...............................................................13
1.4 Q trình truyn sóng âm ............................................................................16
1.4.1.  ..................................17
1.4.2.  ........................................................................20
1.4.3. ng d ....................................21
1.4.4.  .............................................22
1.4.5.  ........................................................................23
1.4.6. p bi tia tn x .......................................................24
N THY ÂM ................................................ 25
2.1

 ng th y âm ................................................25

2.1.1 Suy hao trc .............................................................................26

2.1.2  ................................................................................28
2.1.3 S suy gi ............................................35
2.1.4 H s phn x s ...............................................................36
2.1.5 H s phn xng trun. ..38
2.1.6  ..................................................................40
2.1.7 i (Path gain) ..................................................................................41
2.2 ng ca nhin kênh truyn dn th y âm ................41
2.3
2.4

Hiu ng Doppler ........................................................................................43
Kênh ph thuc thi gian ............................................................................46
1

1706674953320180bd7c4-00bd-4e6e-b1d9-90fe3b6fed34
17066749533204cdb7153-aefc-406a-b378-bc1bf5607663
17066749533206397b467-a363-43ed-9ed1-7654059e2267


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

2.5

B rng nh v thi gian ca kênh ........................................................47

2.6 n ............................................................................48
2.6.1 Kênh theo phân b Rayleigh .................................................................48
2.6.2 Kênh theo phân b Rice ........................................................................48
2.7 Kt lun........................................................................................................49
  ........................................................ 50

3.1 K thu  s ....................................................................................50
3.2

 QAM.............................................................................................50

3.3 OFDM ..........................................................................................................54
3.3.1 Nguyên lý ghép  h thng ...............................................54
3.3.2 .........................................................................56
3.3.3 Bii Fourier .....................................................................................57
3.3.4 Khong bo v (GI- Guard Interval) .....................................................60
3.3.5  ...........................................................................61
3.3.6  OFDM phía phát ....................................................................63
3.3.7 Gi ...............................................................64
3.4 Kt lun........................................................................................................65
NG H THNG ..............................................................66
4.1

Lý thuyt mô ph ng.....................................................................................66

4.1.1 Kho sát kênh truyn d n thy âm ........................................................66
4.2 Kin trúc h thng .......................................................................................67
4.2.1. B phát...................................................................................................67
4.2.2. B thu ....................................................................................................69
4.3 Kt qu mô phng........................................................................................71
4.3.1 Mơ hình tham chiu ...............................................................................71
4.3.2 Các tham s mơ phng ..........................................................................73
4.3.3 Phng tng xung ca kênh truyn .............................................74
4.3.4 Phng hàm truyt c a kênh theo thi gian và tn s ......................75
4.3.5 Phng to nhiu màu .............................................................................76
4.3.6 Kho sát s ph thuc ca SER vào SNR .............................................80

KT LUN ..............................................................................................................84
TÀI LIU THAM KHO ......................................................................................85

2


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

L

 các kt qu nghiên c a trên các
kt qu c trong quá trình nghiên cu ca riêng tôi, không sao chép b t k  kt
qu nghiên cu ca tác gi khác. N i dung ca luo và s dng
mt s thông tin, tài li u t các ngun sách, tc lit kê trong danh mc các
tài liu tham kho.

Nguyn Th Thy

3


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

DANH MC T VIT TT
STT

T vit tt

Ging Anh

Ging Vit

1

OFDM

2

BER

Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia
Multiplexing
theo tn s trc giao
Bit Error Rate
T l li bít

3

DFT

Discrete Fourier Transform

Bii Fourier r i rc

4

FFT

Fast Fourier Transform

Bii fourier nhanh

5

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

Bi i Fourier ri rc
c

6

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

7

FSK

8

GMSK

9

OFDM

10

ISI

11

MSK

Minimum Shift Keying

u ch 

12

PAM

Pulse Amplitude Modulation



13

PSK

Phase Shift Keying

14

QAM

Quadrature amplitude modulation

15

SNR

Signal Noise Ratio

   theo pha tín
hiu
Mt k thu u ch

T s tín hiu trên nhi u

16

SER

Symbol Error Rate

T l li kí t

17

LPNM

Lp Norm Method

c Lp Norm

Bi i Fourier nhanh

c
     
Frequency Shift Keying
tín hiu
    
Gaussian Minimum Shift Keying
Gauss
Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia
Multiplexing
theo tn s trc giao
InterSymbol Interference
Nhi

4


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

DANH MC BNG BIU
Bng 2. 1 Giá tr bt ca tng lo .........................................................35
Bng 2. 2 Giá tr h s K, n theo t ng loi y kh nhau .......................................36
Bng 3. 1 Bng ánh x d liu mc QAM4..............................................................52
Bng 3. 2 Bng ánh x d liu mc QAM16............................................................53

5


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

DANH MC HÌNH V

Hinh 1. 1 H thng thông tin th ..........................................10
Hinh 1. 2 Sa nhic bin .............................11
Hinh 1. 3 S i c ..................12
Hinh 1. 4 Lan tr ng v .........................................13
Hinh 1. 5 Sa vn t .....14
Hinh 1. 6 T................15
Hinh 1. 7 S pha tc ...........................16
Hinh 1. 8 Di chuyn ca ht t vi v ..............................................17
 ..................21
Hinh 1. 10 Hic .........................................22
t tia .......................................................23
Hình 2. 1 H s hp th  c ..................................26
Hình 2. 2 Suy hao theo phân bc sâu ..............................................27
Hình 2. 3 Suy hao theo phân b c nơng ...........................28
Hình 2. 4 H sthc Thorp .........................................................30
Hình 2. 5 H s suy gi (cơng th c Francois và Garrison) .................33
Hình 2. 6 H s suy gi  - cơng thc
Francois và Garrison .................................................................................................33
Hình 2. 7 H s - cơng thc ..34
Hình 2. 8 H s suy hao theo các mơ hình khác nhau. (T=4oC, D=1000m, pH=8) ...... 34
Hình 2. 9 Phn x tng ................................37
Hình 2. 10 Nhing cho vi nhn t  ........43
Hình 2. 11 M ph ca tín hiu thu ..................................................................44
Hình 2. 12 Hàm t  i gian ca kênh trong s so sánh vi b r ng n
nh v mt thi gian c a kênh ................................................................................. 47
 u ch QAM.................................................................................51
 OFDM vi nguyên lý trc giao .................................................54
6

Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

i h thng OFDM ......................................................................55
Hình 3. 4 Quan h.................................................56
Hình 3. 5 OFDM symbol và khong bo v nhm tránh nhiu ISI ..........................61
Hình 4. 1 H thng mơ phng ...................................................................................67
Hình 4.  khi b phát ....................................................................................67
Hình 4. 3 Mơ hình kênh truyng th y âm ...................................................69
 khi b  thu. .....................................................................................69
Hình 4. 5 Hàm cơng st tr (power delay profile) cc nơng .................73
Hình 4. 6  ................................................74
Hình 4. 7  ...........................................75
Hình 4. 8 Hàm truyt ca kênh ng v .......75
Hình 4. 9 Ngun lý mơ phng nhiu màu ...............................................................77
Hình 4. 10 Ph ca nhi u màu thc t và ca mơ hình 1 β ...................................78
f
Hình 4. 11 Ph ca nhiu màu mô phng và theo lý thuyt .....................................78
Hình 4. 12 Tín hiu nhi u màu mơ phng min thi gian ........................................79
Hình 4. 13 Ph tín hiu nhiu màu trong min tn s...............................................79
Hình 4. 14 SER bii theo SNR tn s sóng mang f0 14 kHz ...........................80
Hình 4. 15 SER bii vn tc dch chuyn gi a ............81
Hình 4. 16 SER bii theo SNR ng v i các tn s sóng mang khác nhau........83

7


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

LU
Cuc cách mng khoa hc k  thut và công ngh     ng trên

toàn th gii vi s phát trin mnh m ca nhiu ngành khoa hc, c bit là thông
tin liên lc và truyn thơng. ng truy n sóng ngày càng ng phong phú:
truyn trên mt, qua tn li, t i  t hay qua v tinh..
Trong k thut truyn tin thy âm, liên lc gi a các tàu ng m vi nhau, liên lc gia
tàu ng m v t lin, phát hin vt cn khi chuyng  các ng khác nhau:
ng tàu, bên phi, bên tráit sc quan trng trong thc
ti nghiên cu khoa h c. Hin nay vic nghiên cu v k  thut âm
   c ln trên th gi c bi   
nhu cu ch  to tàu ngm hc, giám sát v mc
 ơi nhic bin, khai khống, phịng ch n, bão, tr
giúp các ho   nh v i binTuy nhiên, do s khác bi  n v 
               s
 áp dng ngay cho thông tin thy
âm. mà tác gi  tài: Xây dc
tính mơ hình suy hao và hiu  ng Doppler cho kênh truy n dn thy âm
  thng thông tin th y âm hi
a h thng thông tin thy âm
o kênh   trong
h thng thông tin thy âm    s        
u  N c chia thành 4 
1. Tng quan v h thng thông tin th y âm
2. Kênh truyn dn thy âm
3. u ch
4. Mô phng h thng kênh truyn dn th y âm

8


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

Trong quá trình th c hi án này, m t c g c chn khơng
th  c nhng thiu xót do nhn thc ch   mt n   
nên em r t mong mu c s ch dn ca các th y cô. Em xin gi l i c 
  n các thy giáo PGS.TS Nguy  c và TS. Nguyn Quc
 là c ting dn và góp ý sa ch a,  l em có
th hồn thành lu xin chân thành c  y!

9


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

 THNG
THÔNG TIN THY ÂM
n th y âm nh ng 
 th thng.

1.1 a h thng thông tin thy âm
c s phát trin mnh m ca nhiu ngành khoa hc bit là thông
tin liên lc và truyn thông. K  thut truyn tin thy âm có vai trị ht sc quan
trng trong thc tiu khoa hc, các ho
i bin, liên lc gia các tàu ng m vi nhau, liên lc gia tàu ngm vi
t lin,  ng 
  ng quan v 
h thng thông tin th y âm

Hinh 1. 1 H thng thông tin th

10

Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

1.2  ng ti kênh thông tin thy âm
Các thông s ca môi ng nh nga
m:
 Nhi
 c (P)
 Ni (S)
  
 
Bên c nh ng ca các thông s này lên h ththy âm,
b m ch
a nhi
[2]:

Hinh 1. 2 Sa nhic bin [14].

11


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

Nhi gi v  gim 
  
Vi

[2]:

Hinh 1. 3 S i c sâu ( South Atlantic Ocean) [15]

i c
gim m
sâu.

1.3 Sóng âm thy âm
Tn t b suy gim rt nhanh do b  hp th mnh
nên vic thông tin thy âm       n     
ng. Sóng quang h c tuy khơng có suy hao ln trong mơi ng 
u bi hin . Vì th truyn thu khin dị tìm thy âm
12


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

ch yu phi s dng sóng âm. Do mt s t c ng sóng  d i tn s
c s dng rng rãi và hiu qu.
a môi ng v
  ng v              
  ng
ng sóng. V n t ng vt c


Hinh 1. 4 ng v[1]

1.3.1. Phân loi sóng âm
n t, sóng âm chi m m t di tn s r t r ng. Tu theo
tn s có th 
- Vùng h âm tn s ng t n 16 Hz.
- Vùng âm có tn s ng t n 16 kHz.

- Vùng siêu âm có tn s ng t n 10 MHz.
- Vùng cc siêu âm có t n s  ng t   n 1013 MHz 
n s  ng nhit ca mng tinh th
1.3.2. Vn tc cthy âm
Vn tc    ng        
vn t         
  n t        n t    
 c.V n tc             
hình tốn h c khác nhau.         
13


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

trong [2], 
tsai s 0.070m/s).
 

        


 

 

    

󰇛  
󰇜  


    
 
     



󰇛  
󰇜  

   

(1.1)

 v là tm thanh tính theo m/s
T là nhi  C


 các cơng 
i hn bi vic ch
c c ch m ca t màu xanh
ta t

Hinh 1. 5 Sa vn t) [2]

14


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

Hình 1.6 c

700 m/s, v nhit 
trên  C. Ngồi ra, Hình 1.6  ch t âm 
ca nhi môi ng.
V   t Nam, nhi          
theo các chu k


(trung  C.
Dù t       nhi        
nhi               i v 


Hinh 1. 6 T[2].

15


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

Hinh 1. 7 S pha t c [2]

 1.7 ti c 

là ti ca t i
10m/s trong phm
     sai s         
 hình cho t
 1.5 
hiu qu 
trong môi ng c sâu.

1.4 Q trình truyn sóng âm
Q  lan   âm trong môi      c mô 
di  toán   phng  g, các tham  v  k b 
 ng   mãn  k môi      khu c khác
nhau.
16


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

1.4.1. 
Phng nh ng trong  ng  c g  m quan  ng
c v      v m  Phng    k lng,
ph Euler, vng      thái c   di
 [5]

Hinh 1. 8 Di chuyn ca ht t vi v[5]

Vi kí hiu  là áp sut và  là m c các quan h sau:

Trong 

    

(1.2)

    

(1.3)

Pg : Áp sut tng cng

P0 : Áp su
P i áp sut
Và:


: Áp sut tng cng
 : Áp su
 : i áp sut

 phng    k lng,
 

g
  x  dx Av x dx   g  x Av x  A dx
t

17

(1.4)


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

Trong  : Av x  dx : âm lng
     dx
 g  x  dx Av x  dx :  lng
     dx

Av  x : âm lng
 v  v 

 g  x  Av x  : k lng
 v  v  x

a) Phng  Euler:
Ap
 ng   2 Newton, F  m  a , ta  c:

dv
pg ( x). A pg ( x dx). A g Av
dt


dv 

v
v
dt  dx
t
x
dx  v  v dx dv  v  v
 

 v
t t x dt dt t
x

Và

(1.5)

pg ( x, t)  pg ( x  dx, t)
dx



t  pg
[ pg ( x dx, t)  pg ( x, )]

dx
x

(1.6)

(1.7)

Phng  (1.6)  c v  t

 pg
p
v 
 v
   v 
x
x
  x  x

(1.8)

Kt hp vu ki n:

pg  x  dx, t* v x dx, t  pg  x dx, t* (v ,x )t ( p
g )v

(1.9)
dx
x
có th vit li thành

 ( pg v)
x



 pg
t
18



p
t

(1.10)


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

a m
b) Phng    ng thái
 pg
pg  p0   
 g

Ta có:

2

1 2   pg 


 ...
(
)


2 
 s 2
 g 

 p 
c2   
  s

Kí hiu:

(1.11)

(1.12)

Trong môi   lý ng ng   c    vn t
 âm. Tro ng nhng phng  trên,  mt  v  vn tc ht, p  áp 
v ch s s  hin ph ng  o  riêng th y ng c c xác  
 kin entropy không i.
Vi p  p0 và   0  thành
p  c2  (1.13)
Coi  th i gian ca nh ng thay i  môi ng l n hn  so vi 
thi gian ca vic lan   âm, gi thiêt thêm  các   ca vt liu

 0 và c2 p vi thi
i 

  pg

x   t

2
  v   
v 
p
p
v


g
g





x2 x   t   x 
 x

(1.14)

   v 
2 
1 2 p
v    pg





c2  t2
 t2
 x   t 

(1.15)

Vi nhng vn tc  h n, phng nh (1.14)    qua  

 
v 
pg v  , và vi   0   ) có th b qua thành ph n

x 
x 

  v 
 p g  . 
x   t 

19


Xây dc tính mơ hình suy hao và hiu ng Doppler cho kênh truyn dn thy âm

 2 p   v 
 2   pg 
x  x   t 

(1.16)

  v 
1 2 p
p
 g    c2 t 2
x  t 


(1.17)

 p hai phng  (1.16) va (1.17) ta nhn c phng  sau cho không
gian m 

2 p 1 2 p

x2 c2  t2

(1.18)

 cho không gian  ta thu  c:

p 



1 2 p
c 2 t 2

2 2 2
 2  2  2
x y  z

(1.19)

(1.20)

1.4.2. 
󰇜
V   󰇛 
 󰇛 󰇜c

p  k2 P  0

(1.21)

Trong h t:

p 

 2P
2



2P

  coi P ch   v R, nghim ca phng  Helmholtz cho ng
 c xác  nh sau:

P

A*exp(  jkR)
4 R

20

(1.22)